مقاله بررسی خودروهای هیبریدی پیشرفته
امروز در خدمت شما هستیم با یک مقاله بسیار عالی که از وب سایت های خارجی ترجمه شده
جهت دانلود روی لینک زیر کلیک کنید
مقاله خودروهای هیبریدی
بعنوان یک ذخیره کننده انرژی می باشد وحایل بین APU وموتورهای کششی است. در اینجا
از یک باتری (NI-CD) نیکل –کادمیم استفاده می کنیم. درهیبرید سری نسبت هیبرید موازی
چگالی قدرت باتری خیلی مهم است. زیرا در طی جریان شارژ ودشارژ باتری جریان
الکتریکی زیادی رد و بدل می شود. البته باتریها توسط APU دوباره دشارژ می شوند
شکل 37-4:کاربرد موتور تاندوم که روی پایه نصب شده است.
به عنوان یک نتیجه باتریهای NICD یا NIMH برای کاربرد دراین اتومبیل خیای مناسب
هستند و کاردرستی نیست که بجای آنها از باتریهای سربی یا اسیدی یا NaNiCL استفاده کنیم.
ولتاژ این باتریها V250 است و200سلول نوع 55X در آن بکاررفته است. ظرفیت
باتریkw.13است.
نصب اجزاء روی پایه به منظور انجام آزمایشات:
شکل 38-4 طبقه بندی اجزاء ونصب آنها را روی پایه ای برای آزمایش نشان می دهد. دو
تریستور کنترل کننده DC برای کنترل موتور تاندوم به کار رفته است. با کنترل و شبیه سازی
اجزاء روی پایه آزمایش حالتهای مختلف وسیله نقلیه را که در حالات واقعی قابل اندازه گیری
نیستند می توانیم پیش بینی ومحاسبه کنیم. برای اینکه به مقادیر واقعی دست پیدا کنیم باید سه
اصل مهم یعنی دینامیک وسیله نقلیه، راننده ومحیط رادرنظر بگیریم.
شکل 38-4
نرم افزاری که با استفاده از آن این شبیه سازی انجام گرفته است معروف به HIL می باشد
واین امکان را دارد تا اجزاء مختلف را به جای یکدیگر قرار داده وآنها را شبیه سازی کنیم.
شکل 39-4 ساختمان کنترل این اجزاء راکه روی پایه قرار گرفته اند نشان می دهد. تمام
سیگنالهایی که برای امنیت وکنترل (درجه حرارت ها وجریانها) وبرای تعیین بازده
اجزاء(قدرت مکانیکی والکتریکی) لازم هستند باید اندازه گیری شوند. سیگنالها از طریق
ورودی خروجیهای مختلفی انتقال داده می شوند(ورودیها آنالوگ یا دیجیتال، ورودیهای 232
RS ویا CAN) که شامل چهار مدول می شوند.
1- اداره کننده اجزاء روی پایه
2-شبیه سازی مقادیر واقعی
3-سیستم اضطراری
4-نحوه عمل واحد اداره کننده وسیله نقلیه (VMU)
واحده اداره کننده وسیله نقلیه یکی از مهمترین قسمتهای ذکر شده می باشد. وظیفه این واحد این
است که مشخص می کند ودستور میدهد تا اتومبیل با قدرت الکتریکی باتری یا قدرت
الکتریکی APU عمل کند.
مهمترین اثر VMU فراهم کردن قدرت خواسته شده به وسیله راننده است، بادر نظرگرفتن
اینکه مقدار مصرف سوخت وآلودگی آن همیشه می نیمم باشد. البته قابلیت رانندگی با وسیله
نقلیه نباید کاهش پیدا کند.
شکل 39-4: نمونه واقعی سیگنالهای ورودی وخروجی
شکل 40-4 عوامل تأثیر گذاربرVMU رانشان می دهد. با توجه به این فاکتورها VMU
مشخص می کند که اگر موتور احتراق داخلی روشن باشد چه مقدلر قدرت به ژنراتوربرسد.
عوامل مؤثر یا فاکتورهای ورودی به APUعبارتند از: قدرت مورد نیاز(رانندگی در شهر یا
بزرگراه)- شرایط طبیعی(هوا، وضعیت جاده از لحاظ یخ زدگی ؛سربالایی و.....)- مشخصات
راننده(ورزشی یا معمولی)که اینها جزو شرایط طبیعی هستند. مصرف سوخت حداقل وآلودگی
حداقل وتوانایی رانندگی که جزو اهداف وایده آلها می باشند. شرایط اجزاء که شامل: نقشه های
بازده وآلودگی اجزاء(APUوباتری و.....) مرحله شارژباتری ،مدت استفاده ازقدرت APU
،مقادیر درجه حرارت APU،مبدلهای کاتالیزوری وماشینهای الکتریکی می باشند.
خروجی VNU شامل: روشن یا خاموش بودن APU،قدرت APU وگرم کردن EHC قبل از
شروع عمل است.
شکل 40-4:فاکتورهایی که بر VMUاثر می گذارند.
از عوامل مهم درتعیین روش عملکرد وسیله نقلیه بازده سوخت ومیزان آلودگی آن با استفاده
از نقشه هایی که در این زمینه طراحی شده است وبازده باتری را می توان برشمرد.
شکل 41-4 نقشه بازده APU رابا تعیین خط بهترین حالت عملکرد وسیله نقلیه نشان می دهد.
شکل 41-4: نقشه APU باخطوط بازده ثابت ،قدرت ثابت ،وخط عملکرد بهینه
در اینجا دو روش عمده برای کنترل هیبرید سری وجود دارد: یکی روش ترموستات یا قطع
ووصل کردن می باشد که اگر نحوه عملکرد وسیله نقلیه را ثابت کنیم قطع ووصل APU
خودبخود انجام خواهد گرفت. شکل دیگر روش POWER TRACKING است که APU
هنگامی قدرت تولید می کند که محرکهای کششی احتیاج به نیرو داشته باشند.
شکل 42-4: دو روش عملکرد APU
شکل 42-4 جزئیات بیشتری را نشان می دهد. برای تست اجزاء وسیستم محرکی که روی پایه
قرار گرفته است هر دو روش آزمایش شده است. با توجه به تستهای انجام شده جدول 5-4
بدست آمده است که مصرف سوخت رابرای حالتهای مختلف در100کیلومتر نشان داده است.
Conventional vehicle Power-tracking mode Thermostat mode Cycle/ Driver
8,0 5,1 4,2 FTP75
8,0 5,9 4,6 EUDC
6,1 6,3 5,3 US-Highway
6,2 5,2 4,1 Economhc driver
6,4 5,7 4,8 Normal driver
6,8 6,5 5,4 Sporty driver
جدول 5-4: نتایج شبیه سازی مصرف سوخت هیبرید سری با وزن 1300کیلوگرم.
این آزمایشات به سه سیکل 75US-HIGHWAY-EUDC-FTP انجام شده است.
اگر از یک باتری با مقاومت داخلی پایین وبازده بالا استفاده کنیم شکل ترموستات(قطع
ووصل) نسبت به Power trackingبرتری دارد البته اگر بتوانیم هر دو روش را با درنظر
گرفتن راننده وجاده با هم ترکیب کنیم مصرف سوخت کاهش می یابد.
هیبرید موازی:
توسعه و کاربرد واحد کننده برای یک اتومبیل BMW با سیستم هیبرید موازی.
اتومبیلهیبرید موازی از یک موتور الکتریک و موتور احتراق داخلی تشکیل شده است که هر
دو در به حرکت در آوردن وسیله نقلیه به طور مستقیم شرکت می کنند . با این روش ها می
توانیم مقدار آلودگی تولید شده توسط موتور احتراق داخلی را کاهش دهیم . یک مسئله دیگر
امکان بازیافت نیروهای ترمزی در این سیستم می باشد. BMW سالهای زیادی روی هیبرید
موازی کار کرده است. و تغییراتی در سیستم محرک بوجود آورده است . در اینجا مقداری از
تغییرات انجام گرفته را بررسی می کنیم.
518i hybrid Vehicle
180,(112) [km,(mph)] Top speed
100,(62) [km,(mph)] Top speed , electric
>500,(>310)
>30,(>19) [km,(miles)]
[km,(miles)] Range , combustion engine
Range , electric
جدول 6-4
با استفاده از داده های جدول 6-4 با وجود اینکه افزایش قابل توجهی در وزن به وجود آمده
است ( این اضافه وزن ناشی از اضافه شدن اجزاء محرک و باتری است ) مصرف سوخت در
همان سطح نگاهداشته شده است . در این اتومبیل موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی در
یک امتداد قرار گرفته اند و هر کدام یک شفت خروجی دارند .
موتور الکتریکی 125mm (4.22”) جلوتر از موتور احتراق داخلی است . همچنین فضای
مناسبی برای جعبه دنده میانی فراهم گردیده است . ( شکل 43-4 )
با طراحی یک سیستم انتقال قدرت تسمهای می توان خروجی موتور الکتریکی را به
شفتورودی به جعبه دنده کلاچ C1 روی آن سوار است برسانیم . این سیستم انتقال قدرت به
خاطر این است که اتومبیل بتواند در حالت فقط الکتریکی ، فقط با موتور احتراق داخلی ، با
ترکیبب از این دو حرکت کند . وظیفه کلاچ C2 قطع ارتباط موتور احتراق داخلی با موتور
الکتریکی است ، هنگامیکه اتومبیل به شکل الکتریکی کار میکند . ولی کلاچ C1 هنگام
تعویض دنده انتقال قدرت به گیربکس را قطع می کند همانند اتومبیلهای معمولی است. قدرت
توسط میل گاردان و دیفرانسیل به چرخهای عقب منتقل می شود.
شکل 43-4: سیستم انتقال قدرت میانی برای هیبرید موازی
شکل 44-4 اجزاء مختلف این هیبرید را نشان می دهد.
شکل 44-4: ساختمان هیبرید موازی BMW
برای انتخاب سیستم ذخیره کننده الکتریکی دو باتری Ni-Cd و Ni-MHرا که ساخت شرکت
دوج می باشد مورد آزمایش قرار گرفته است . دو مشخصه قدرت مخصوص و انرژی
مخصوص مورد بررسی قرار گرفتهاند . این بررسی بصورت نمودار در شکل 45-4 نمایش
داده است.
شکل 45-4: دیاگرام را گون برای دو سیستم باتری
در بار یکسا ن 100 ، باتری Ni-MH می تواند حدود بیش از دو برابر انرژی در واحد
وزن نسبت به باتری Ni-cd ذخیره کند. پس باتری Ni-MH چگالی انرژی بیشتری فراهم می
آورد . با زیادتر شدن مقاومت داخلی باتری NI-MH افت درجه حرارت افزایش پیدا می کند .
باتری در زمان عمل و شارژ از واحد اداره کننده باتری دستور می گیرد.
این سیستم (BM) توسط کارخانه سازنده برنامه ریزی می شود و در ردیف توابع مهم مورد
نیاز برای اتومبیل می باشد . عمده ترین داده های وسیله نقلیه در جدول 7-4 نشان داده شده
است و خصوصیات قابل مشاهده برای یک وسیله نقلیه استاندارد می باشد.
جدول 7-4: داده های وسیله نقلیه
واحد های فرعی دیگری در این اتومبیل به کار رفته است ، از قبیل سیستمم گردش روغن که
توسط پمپ الکتریکی صورت می گیرد و باعث می شود تا به یک فرمانپذیری راحت دست
پیدا کنیم . سیستم ترمز همانند سیستم ترمز اتومبیلهای معمولی است با این تفاوت که یک پمپ
الکتریکی خلائی (P=50W) خلاء مورد نیاز نیروی ترمز را فراهم می کند ، زمانیکه موتور
احتراق داخلی کار نمی کند این پمپ همچنان عمل می کند ( یعنی زمانیکه اتومبیل به شکل
الکتریکی کار می کند ). کیت باتری ، که روی آن یک مبدل (13.8V/50A)DC/DC و یک
کنترل کننده موتور الکتریکی نصب شده است . سیستم خنک کننده ، که روی موتور احتراق
داخلی بدون تغییر شکل مانده است . مدارسیکل خنک کاری برای موتور الکتریکی و اینورتر
آن طراحی شده است.
واحد کنترل کننده مرکزی (CEU)
برای کنترل این سیستم احتیاج به کنترل کنندهای داریم که با در نظر گرفتن همه احتیاجات
وسیله نقلیه ، یک سیستم قابل انعطاف باشد تا بتواند خواسته های مشخص شده را بر آورده کند
و همچنین باید به حد کافی قوی باشد تا در برابر بارهای دینامکی و شرایط درجه حرارت
مقاوم باشد . به کار بردن نقشه های ویژه کنترل و CEU هیمه پارامترهای مهم را کنترل می
کند تا هیچ نقصی در شکل و نحوه رانندگی بوجود نیاید . یعنی باید یتوانیم به اشکال مختلف
رانندگی کنیم . CEU قدرت مورد نیاز از موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی را محاسبه
می کند . همچنین مقدار شارژ باتری محاسبه می شود . با استفاده از این سیستم در مصرف
انرژی به بازده ماکزیمم دست پیدا می کنیم . شکل 46-4 نحوه ارتباط CEU را با اجزاء
مختلف دیگر نشان می دهد.
شکل 46-4: واحد اداره کننده وسیله نقلیه و ارتباط واحد های کنترل
برای امنیت بیشتر عملکرد اتومبیل CEU بطور پیوسته واحد کنترل کننده MU کنترل می
شود ( شک 47-4 ) MU سیگنالهایی را که توسط CEU در فواصل معین تنظیم شده است
دریافت می کند و آنها را تست می کند . اگر بعضی از سیگنالها وجود نداشته باشند بیانگر این
مطلب می باشد که CEU عیب دارد . اگر CEU قطع شود توسط چراغ قرمز داخل داشبورت
، راننده مطلع می شود . سنسور پدال مستقیماً به EML متصل شده است و همانند مدل
استاندارد اجاره می دهد به راننده که این امکان را داشته باشد تا در مواقع غیر منتظره اتومبیل
را با موتور احتراق داخلی به حرکت در آورد ، اگر چه بازده کاهش پیدا می کند .
در هیبرید موازی BMW سیستم کنترل دیجیتال S2 به کار رفته است . اجزاء آن را می
توانیم در شکل 48-4 ببینیم .
شکل 47-4: MU و ارتباط آن با واحد های دیگر
Interrupts فقط روی اعمالی که ما انجام می دهیم متمر کز می شود
A/D یعنی تبدیل آنالوگ به دیجیتال در اینجا توسط A/D سیگنالهای آنا لوگ برای فهم CPU
تبدیل به سیگنالهای دیجیتال می شوند . مثلاً مثل سرعت و گشتاور که متغیرهای آنالوگ
هستند.
I/O به معنای ورودی – خروجی است یعنیDigital I/O. Input/Output درگاه ورودی
دیجیتال است PMW (pulse wide modulation=PMW) عرض پالس را کنترل می
کند و برای کنترل موتور های الکتریکی به کار می رود .
Coustomer specific extensions خواسته های راننده را ارزشگزاری می کند بردهای
افزایشی 3 مدخل ورودی و خروجی دیجیتال هستند که خودمان می توانیم به این مداخل اضافه
نماییم . البته زمانی که پارامترهای بیشتری داشته باشیم. LC=liquide crystal می باشد که
بعنوان یک نشان دهنده عمل می کند RS232 درگاههای استاندارت می باشد . SRAM یک
حافظه استاتیک است که به محض قطع برق اطلاعات این حافظه پاک خواهد شد این
اطلاعات مانند حرکت دریچه گاز ، مقدار سوخت مورد نیاز و ... می باشد . EPROM
توسط مهندس طراح و بر اساس خواسته های او طراحی و برنامه ریزی می شود I/O
اطلاعات به CPU می دهد ولی LCD فقط اطلاعات می گیرد سیستم s2 قابل برنامه ریزی
با یک کامپیوتر شخصی می باشد که توسط در گاههای ورودی خواسته های مورد نیاز خود را
به CPU اعلام می داریم.
شکل 48-4: ساختمان سیستم S2
با اتومبیل هیبرید موازی می توانیم با سه شکل مختلف رانندگی کنیم:
1- هیبرید ( ترکیبی )
2-الکتریک
3- با موتور احتراق داخلی ( شکل اضطراری )
برای اینکه بتوانیم بدون مداخله راننده با هر یک از این سه شکل رانندگی کنیم احتیاج به واحد
اداره کننده اجراء عمل کننده اتومبیل داریم.
اداره اجزاء عمل در BMW هیبرید موازی:
با استفاده از اداره کردن عملکرد های اتومبیل ، رانندگی بدون دخالت افراد صورت می گیرد .
مثلاً کلاچ C2 خود بخود درگیر می شود ، شرایط شارژ چک می شود ، شکل عمل تغییر می
کند و غیره cpu برای حرکت یک هیبرید موازی تمام اطلاعات را گرفته و پردازش می
کند . اجزاء کنترل کننده موتور احتراق داخلی ، موتور الکتریکی ، کلاچ الکتریکی C2 و
باتری کششی همه اطلاعات خود را برای پردازش نهایی به cpu اعلام می دارند.
روی داشبورد سوئیچی نصب کردهاند که راننده بتواند مستقیماً وضعیت حرکت را اتخاذ کند ،
این سوئیچ نیز سه حالت دارد . این حالت فقط بخاطر این است که بتوانیم آزمایشهای مختلف را
انجام دهند . شکل 49-4 شماتیک ارتباط اجزاء را با هم نشان می دهد بازده کار خروجی و
روش عمل و میزان قدرت را کنترل می کند . راننده شخصاً قدرت مورد نیاز برای حرکت
محرک را تعین می کند.